장기유사체 오가노이드를 통한 약물 연구와 맞춤의학

✔️ 안녕하세요. 의약계열 수시 학종을 꿈꾸는 학생이라면 반드시 참고해야 하는 세특 심화탐구 참고 보고서 전문 메디컬저널입니다.

⭐️ 메디컬저널에서는 mRNA 백신, CRISPR Cas9 유전자 편집 기술, ADC, 줄기세포, GLP-1 작용제, 효소의약품, CAR-T cell therapy 등 수많은 혁신 기술들을 교과 내용들과 연계하여 소개해 드렸습니다. 그러한 혁신 기술들은 실제 의약품으로 개발되어 수많은 생명을 구해내고 질병을 효과적으로 치료 해낼 것이라는 기대를 받고 있으며 일부는 이미 시판되어 시장 점유율을 늘려가고 있습니다.

신약 연구개발의 과정

* 신약 연구개발 과정에 대한 설명은 지난 탐구 내용과 대웅제약의 자료로 갈음하겠습니다.
https://newsroom.daewoong.co.kr/archives/18224

① 신약개발의 시작은 가장 먼저 신약으로서 가능성이 있는 물질을 발견(discovery)하는 것에서 시작됩니다. 더 구체적으로 설명하자면 그 가능성에 따라 hit 물질→ lead 물질 → candidate 물질로 발굴되는데 자세한 설명은 생략하겠습니다.

② 이렇게 발굴된 후보물질은 본격적으로 약효를 시험하기 이전에, 물리화학적 특성(입자 크기, 성상, 용해도 등)의 규명을 기본으로하는 기초연구가 이루어지며 또한 제제화를 통해 투여가능한 형태로서 최적화 될 수 있습니다.

③ 다음으로는 여러 단계에 걸친 검증 시험이 이루어지는데, 이 때 기준이 되는 것은 물질의 유효성(Efficacy)과 안전성(Safety)입니다. 즉 신약후보물질이 충분한 약효를 가지는지와 심각한 부작용을 나타내지는 않는지에 대한 철저한 검증이 필요합니다.

❗ 이러한 검증은 세포수준과 생체수준으로 나누어지며, 생체 수준은 설치류 등의 실험동물을 활용한 전임상(비임상)시험과 사람을 대상으로 한 임상시험으로 이루어집니다.

# 세포수준의 유효성, 독성 평가 세포 수준에서 약효와 안전성을 평가하는 것은 실험실에서 직접 세포를 배양해 이루어집니다.

예를 들어 항암제 시험을 위해서 각종 암세포주를 배양해 시험관(in vitro) 수준에서 약물을 처리하고 세포의 반응을 확인하는 방식으로 진행되는데, 이때 후보물질의 효과를 확인하는 시험으로서 Cell viability assay(세포 생존 시험), Cell apoptosis assay(세포 자살 시험), Cell cycle assay(세포주기 시험) 등 다양한 종류의 시험이 존재합니다.

세포 수준에서 약효와 안전성, 약의 작용기전들을 일부 규명한 후, 이러한 내용이 생체 수준에서도 동일하게 적용되는지 확인하기 위해 실험동물을 이용한 생체 수준(in vivo)의 전임상 시험으로 넘어가게 됩니다.

# 전임상시험은 사람을 대상으로 하는 임상시험 이전에 주로 설치류를 통해 약효와 안전성(부작용)을 확인하는 것으로 실험 동물을 대조군과 실험군으로 나누어 대조실험을 수행합니다. 이때 약효, 안전성 뿐만 아니라 약의 분포 등의 약동학적 특성 역시 파악될 수 있습니다.

임상시험은 1~4 상으로 이루어지며, 임상 3 상을 통과한 이후 신약으로서 시판되게 됩니다. 임상 4 상은 '시판 후 조사' 로서 주로 약물 사용 후의 장기적 안전성을 파악하는 단계에 해당합니다. 임상시험은 각 단계마다 대상(환자 혹은 일반인)과 대상자의 수, 기간 등이 다르며 사람을 대상으로 하는 만큼 오랜 기간 까다롭게 진행됩니다. ※ 임상시험 1~4 상 각각에 대한 자세한 설명은 검색하시면 쉽게 찾아보실 수 있습니다.

✔️ 신약(New drug)이란 화학구조나 본질 조성이 전혀 새로운 신물질 의약품(신물질 단일로 구성된 처방)이나 신물질을 유효성분으로 함유한 복합제제 의약품을 의미한다. 즉, 기존에 이미 의약품으로 처방되던 물질의 특성을 개선하거나 복합제로 하는 개량신약이나 기존의 의약품 성분을 복제한 제네릭 의약품과는 달리, 신약이란 이전에는 의약품으로 적용된 적이 없는 전혀 새로운 신물질을 의미한다. 당연하게도 신약은 기존 약물들과 비교하였을 때 더 뛰어난 혹은 새로운 치료효과를 가지거나 기존 약물보다 안전성이 우수한 물질일 것인데, 새로운 물질이라는 점에서 이러한 효능과 안전성을 검증할 데이터가 충분하지 않아 전임상시험과 임상시험을 비롯한 오랜 기간의 연구가 필수적이라 할 수 있다. 10년 이상의 기간이 소요되는 것에 더해 신약 개발은 많은 비용, 높은 실패율이라는 허들이 있지만, 그럼에도 세상에 없던 새로운 혁신신약(First-in-class medicine)으로 성공적으로 시장에 출시될 경우 많은 환자들의 삶을 개선할 수 있으며 개발사는 막대한 수익을 얻을 수 있다.

# First-in-class medicine

https://www.nature.com/articles/nrd4336

이처럼 신약의 안전성과 유효성을 확립하기 위해서는 오랜 시간과 비용이 수반되는데, 최근 이를 단축시키고 신약 개발의 효율성을 크게 향상시킬 수 있는 잠재력을 가진 도구로서 인간 오가노이드(Human organoid)가 주목받고 있다. 이번 탐구에서는 오가노이드가 무엇이며 이를 신약연구개발에 활용하는 것의 의미와 방법 그리고 오가노이드 기술의 한계와 미래에 대해 정리해보려 한다.

생물의 구성 단계와 In vitro & In vivo

https://www.lbq.org/Search/Biology?quickRef=10689

✔️ 통합과학에서 배운 것 처럼, 동물은 세포 → 조직 → 기관 → 기관계 → 개체의 단계로 구성되어 있습니다. 세포는 생명 시스템을 구성하는 구조적, 기능적 기본 단위이며, 모양과 기능이 비슷한 세포들이 모여 조직을 구성합니다.

또한 여러 조직(동물의 경우 신경조직, 상피조직, 결합조직, 근육조직)들이 모여 고유한 형태, 기능을 나타내는 것을 기관(심장, 뇌, 간, 소장 등)이라 하며 특정 작업을 위해 함께 일하는 기관들이 모여 기관계(소화계, 순환계, 호흡계, 배설계 등)를 이루고 이 모든 것들이 유기적으로 조직된 정교한 체제가 바로 하나의 개체가 됩니다.

❗️신약개발과정에서 신약의 안전성(독성, 부작용) 유효성(효능)을 평가하는 것도 위 단계와 유사한 흐름으로 진행됩니다. 이번 탐구에서는 항암제 신약에 초점을 맞추어 이 과정을 간단히 설명해보도록 하겠습니다.

# In vitro model

In vitro 란 라틴어로 'in the glass', 한글로는 '시험관 내'를 의미합니다. 더 직관적으로는 살아있는 생명체(이때 생명체란 개체를 기준으로 합니다) 내부가 아닌 시험관 혹은 페트리 디쉬와 같은 인공적으로 제어가 가능한 환경에서 실험을 진행하는 것 입니다.

즉 In vitro model 세포 실험은, 세포를 영양소를 포함하는 인공 배지와 적절한 환경 조건(온도, 습도, pH, 기체 조성 등)으로 배양하고 실험을 수행하는 것을 의미하며, 항암제 연구 목적의 In vitro model 세포 실험은 액화 질소 등 초저온으로 동결 보관한 인간 유래 암세포주를 해동, 재활성화하여 영양 배지에 풀어 증식시키고 항암제를 처리하여 세포의 반응을 실험합니다.

※ 세포주(Cell line)란, 다세포생물(주로 인간)의 조직에서 가져온 세포를 여러 처리를 통해 연속적으로 배양하여 실험에 사용할 수 있도록 만든 것을 의미합니다. 자세한 내용에 대해서는 아래 KATR(한국분석시험연구원)의 자료를 참고하시길 바랍니다.

https://m.blog.naver.com/katr01/222693257440

→ 가장 대표적인 인간 암세포주로는 HeLa cell이 있으며, 이는 1951년 미국의 31세 여성 Henrietta Lacks의 자궁경부암 세포로부터 분리해내어 만든 세포주 입니다. 이 밖에도 다양한 암종에 대해 대표적인 세포주들이 존재하며 이는 세포주 은행 기관(ex, 한국세포주은행)이나 업체(ATCC 등)를 통해 구매할 수 있습니다.

→ 가장 먼저 동결 된 암세포주를 해동시켜 배지 플라스크 혹은 페트리디쉬에 풀어준 후 암세포가 충분히 증식하여 dish를 가득 메웠을 때(confluent한 상태) 소모된 양분을 보충하고 세포 대사 노폐물을 제거하며 충분한 증식 공간을 위해 새로운 배지 플라스크로 나누어 다시 배양하는 것을 '계대 배양'이라 합니다.

몇회의 계대배양을 통해 충분한 세포 수가 확보되었을 때, 여러개의 well로 구성된 well plate (12, 24 혹은 96 well plate)에 세포를 well 당 같은 수로 하여 심어주는 것을 seeding이라 합니다. 이후 실험 설계에 따라 세포가 존재하는 각각의 well에 약물 등을 처리한 이후 세포의 반응(세포 생존률, 세포 자살, 약물 uptake 등)을 시험하게 됩니다.

# In vivo Xenograft tumor model

다음으로 In vivo 란, 라틴어로 'within the living'의 의미를 지니며, 한글로는 '생체 내'를 의미합니다. 따라서 In vivo 는 생명체(개체) 내에서 진행되는 실험을 의미하며 동물을 진행으로 수행하는 전임상(혹은 비임상, preclinical trial)과 임상시험(Clinical trial)으로 분류됩니다.

In vivo animal study, 즉 전임상 동물실험에서는 주로 설치류(주로 mouse, rats)가 활용됩니다. 항암제의 전임상 과정에 대해 간단히 설명하자면, 이 과정은 In vivo Xenograft tumor model로 진행되는데 이때 Xenograft란 In vitro에서 키운 인간 암세포를 동물에 이식하는 것을 의미합니다. 즉 인간의 질병 상태를 동물 모델에서 재현하는 것이며, 이를 통해 생체 수준에서 암세포가 항암제에 어떻게 반응하는지를 파악할 수 있습니다.

→ 구체적인 과정을 간단히 설명하자면, 우선 플라스크에서 충분한 수로 배양한 인간 암세포를 동물에 주입합니다. 이때 주입은 실험 설계에 따라 정맥, 근육내, 피하 등 다양한 경로로 진행될 수 있습니다. 이후 주입한 암세포가 암 조직으로 충분히 자란 이후에 마우스들을 대조군과 여러 실험군들로 분리하고 (ex, n=6씩)

약물을 처리한 후 일정 시간 간격으로 그룹별 종양 크기, Body weight 등을 측정, 분석합니다. 또한 충분한 실험 기간이 지난 이후(실험 효과를 충분히 확인하였거나, 대조군에서 종양이 너무 커져 윤리적으로 실험을 진행하기 어려울 때) 전체 집단의 동물들을 Sacrifice 시키고(죽이는 것), 해부하여 기관을 분리해 기관 특이적 독성을 파악하거나 분자적 항암 기전을 파악할 수 있습니다.

In vitro와 In vivo, 그리고 Organoid

✔️ 앞서 살펴본 In vitro 세포실험과, In vivo 동물실험의 특징을 정리하면 아래 표와 같습니다.

→ 위 표를 통해 In vitro 세포실험 → In vivo 동물실험의 순으로 연구가 진행되는 이유를 이해할 수 있습니다. In vitro 연구를 통해서는 확인할 수 없는, 세포와 비세포 인체 구성요소(Ex, Extra cellular matrix) 사이의 상호작용이나 암세포 외 다른 종류의 세포, 조직 혹은 기관의 영향(예를 들어 면역시스템이 암세포에 어떤 영향을 미치는 지) 혹은 인체 내 대사로 인한 약물 변환이나 분포의 영향을 In vivo 동물 실험을 통해 확인할 수 있다는 장점이 있습니다.

하지만, 동물실험 역시 임상시험 만큼은 아니지만 큰 비용이 소모되는 과정이기 때문에 특정 물질의 안전성과 유효성에 대한 아무런 근거 없이 진행할 수는 없습니다. 따라서 비용과 시간이 적게 소모되며 과정이 간단하고 법적 규제가 적은 세포실험 모델을 통해 안전성과 유효성을 가질 것으로 예상되는 물질을 우선적으로 스크리닝 할 수 있다는 의미가 있습니다.

# 신약 연구개발에서 오가노이드의 의미

앞서 설명한 것 처럼 In vitro 세포 수준의 모델은 세포 수준으로 진행된다는 점에서 많은 조건들이 지나치게 간단화 되어 있다는 한계점을 가집니다. In vivo 동물 모델 역시 생체 수준으로 더 복잡한 상호작용을 고려한 모델로서 수행 되지만 인간이 아닌 동물에서 진행된다는 점에서 종간의 차이가 존재할 수 있습니다.